基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機數據采集系統

摘要：針對在發(fā)動(dòng)機數據采集過(guò)程中，對速度和精度的要求，基于虛擬儀器，利用振動(dòng)傳感器、麥克風(fēng)、信號調理電路、PCI-4472B數據采集卡，計算機等硬件，對吉利三缸A8發(fā)動(dòng)機的振動(dòng)信號及排氣噪聲進(jìn)行采集，設計出了發(fā)動(dòng)機數據采集系統。實(shí)踐表明，該系統可靠、穩定，有很大的實(shí)用價(jià)值，為診斷和監測發(fā)動(dòng)機故障打下良好的基礎。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；發(fā)動(dòng)機；數據采集；振動(dòng)傳感器；排氣噪聲

0 引言
發(fā)動(dòng)機是一個(gè)綜合的系統，它是汽車(chē)的主要總成和行駛的動(dòng)力來(lái)源。由于它結構復雜，零件多，運行中各個(gè)零件受實(shí)際路況、大氣壓力、溫度、濕度等外界環(huán)境和導熱、摩擦等自身環(huán)境的影響，其技術(shù)狀態(tài)呈下降趨勢，因此發(fā)動(dòng)機是故障最多的總成之一，是監測的重點(diǎn)
總成。
在現代汽車(chē)工業(yè)中，隨著(zhù)電子控制燃油噴射系統、電子控制點(diǎn)火系統等裝置已廣泛在汽車(chē)上應用，發(fā)動(dòng)機機械結構和電子化程度越來(lái)越復雜，不解體診斷技術(shù)已經(jīng)成為深入研究故障診斷不可缺少的技術(shù)手段，因此有必要設計一套專(zhuān)門(mén)針對發(fā)動(dòng)機故障診斷的數據采集系統。
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，在不同部位產(chǎn)生的振動(dòng)程度是不同的，因此通過(guò)測取振動(dòng)信號可以診斷發(fā)動(dòng)機70％以上的故障和狀態(tài)信息。本文搭建了一個(gè)發(fā)動(dòng)機振動(dòng)數據采集系統，輔助采集發(fā)動(dòng)機排氣噪聲信號，用來(lái)監測發(fā)動(dòng)機的工作狀態(tài)。

1 開(kāi)發(fā)環(huán)境
虛擬儀器(Virtual Instrumem)的概念是由美國國家儀器公司(NI)最先提出的。LabVIEW(LaboratoryVirtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗室所接受，視為一個(gè)標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境具有精確、高效、功能強大、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易、實(shí)時(shí)性強、界面友好等優(yōu)點(diǎn)，為用戶(hù)提供了強大功能和使用的靈活性。虛擬儀器可以利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化應用，與傳統的測量?jì)x器相比，具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，能很方便地組建測試系統，滿(mǎn)足多種測量要求。因此，基于虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW語(yǔ)言進(jìn)行信號采集系統的研制具有重要意義。
NI PCI-4472B數據采集卡是一款專(zhuān)為高通道數的振動(dòng)和聲音應用而設計的高精度數據采集(DAQ)模塊，提供了振動(dòng)和低頻交流測量的最優(yōu)化方案。該板卡具有24位的模／數轉換器，并具有嵌入式可編程的ICP，用于對加速度計及麥克風(fēng)的信號調理。板卡的實(shí)時(shí)系統接口賦予了基于計算機的儀器，數據采集、運動(dòng)及視覺(jué)產(chǎn)品強大的集成功能，因此可設計出符合實(shí)際需求的測量解決方案。
本文利用LabVIEW 8．2和PCI-4472B搭建了一套高速的數據采集系統，利用虛擬儀器軟件LabVIEW把計算機與數據采集卡有機地結合起來(lái)，通過(guò)數據采集卡對信號進(jìn)行數字離散化采樣，將數據傳送到計算機上，由虛擬儀器完成信號波形的顯示、存儲等功能。

2 系統結構與硬件設計
在發(fā)動(dòng)機振動(dòng)的各種激勵源中，燃燒氣體壓力，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉、排氣門(mén)開(kāi)啟和排氣門(mén)關(guān)閉所產(chǎn)生的激勵信號是主要激勵源。凸輪軸控制發(fā)動(dòng)機進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)閉，凸輪軸旋轉一周，發(fā)動(dòng)機曲軸旋轉二周，即一個(gè)氣缸完成了四個(gè)沖程。發(fā)動(dòng)機的氣缸是周期性交替工作，引起發(fā)動(dòng)機振動(dòng)和噪聲的主要激勵源也是周期性的，同時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號和噪聲信號也是周期性的，故障會(huì )影響到周期的振動(dòng)信號和噪聲信號。通過(guò)K線(xiàn)從吉利三缸A8發(fā)動(dòng)機讀取一個(gè)開(kāi)始的參考點(diǎn)，使氣缸與振動(dòng)信號和噪聲信號相對應，用采集到的振動(dòng)信號和噪聲信號，可以對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行故障診斷。該系統分為振動(dòng)傳感器、麥克風(fēng)、調理電路、數據采集卡、虛擬儀器軟件四部分，如圖1所示。

2．1 信號調理電路
從傳感器采集的信號形式多樣，可能會(huì )很微弱，或者含有大量噪聲，又或者是非線(xiàn)性的。因此傳感器轉換成的電信號，在進(jìn)入數據采集卡之前，通常需要進(jìn)行某些調理和處理，把信號轉換成更便于處理、接收和顯示的形式，以便于數據采集卡采集。信號調理的主要目的是對信號進(jìn)行放大、濾波以及進(jìn)行有效的隔離，盡量減少干擾信號的影響，提高被檢測信號的信噪比。
振動(dòng)傳感器選用發(fā)動(dòng)機機體的爆震傳感器，爆震傳感器用于檢測發(fā)動(dòng)機是否發(fā)生爆震，當振動(dòng)發(fā)生時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)小電壓峰值，振動(dòng)越大，爆震傳感器產(chǎn)生的主峰值就越大。頻率達到一定值時(shí)，表明發(fā)動(dòng)機發(fā)生爆震，實(shí)驗證明頻率為6～9 kHz的信號為發(fā)動(dòng)機的爆震信號，利用爆震傳感器能方便，準確地檢測到發(fā)動(dòng)機振動(dòng)信號。另外，可以利用麥克風(fēng)從發(fā)動(dòng)機排氣管測量噪聲信號。
2．2 數據采集
2．2．1 數據采集卡
數據采集卡是虛擬儀器系統中的重要組成部分，它的精度和速度影響著(zhù)測試系統的整體性能。該系統采用的是美國NI公司生產(chǎn)的PCI-4472B數據采集卡。NI PCI-4472B具有8通道動(dòng)態(tài)信號采集功能，可用于高精度頻域測量。輸入通道具有集成電路壓電式(IEPE)信號調理功能，可用于加速度傳感器和麥克風(fēng)的信號采集。PCI-4472B具有8路同步模擬輸入通道，采樣帶寬從直流到45 kHz。當PCI-4472B的模擬輸入設置為交流耦合時(shí)，其截止頻率最低為0．5 Hz，因此可用于低頻率交振動(dòng)測量，足以滿(mǎn)足要求。
實(shí)驗所采集的發(fā)動(dòng)機信號為低壓模擬信號，一般在10V以?xún)?，本采集卡信號輸入范圍?10～10 V也能滿(mǎn)足要求。同時(shí)采樣率高達102．4 kHz。
2．2．2 數據采集卡的參數設置
數據采集卡參數設置包括對通道的詳細設置，如輸入范圍、接線(xiàn)端配置等，以及定時(shí)設置，如采樣模式、讀取樣本數、采樣率。因此對采集卡的工作參數進(jìn)行必要的設置，使之能夠進(jìn)行正常的數據采集。這些參數設置是否合理，關(guān)系到傳感器信號的采集乃至整套系統能否正常工作，因此具有重要的意義。該設計中信號輸入范圍設置為-10～10 V，信號接線(xiàn)端設置為差分，采樣模式設置為連續采樣，讀取樣本數為5 000，采樣率為50kHz。
2．2．3 NI-DAQmx
NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驅動(dòng)程序，帶有控制測量設備所需的最新VI、函數和開(kāi)發(fā)工具。此外它還包括MeasurementAutomation Expl orer(MAX)、數據采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數據記錄軟件。通過(guò)這些工具并結合LabVIEW可以節省大量的系統配置、開(kāi)發(fā)和數據記錄時(shí)間。